CN114412950A - 一种多级激励双筒磁流变阻尼器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

发明提供一种多级激励双筒磁流变阻尼器及其控制方法。该阻尼器包括底座、内筒、外筒、导向密封组件、活塞组件和磁路组件。所述外筒的两端敞口分别采用导向密封组件和底座封堵。所述内筒同轴设置于外筒内。所述内筒的外壁与外筒的内壁之间形成有流道腔。所述磁路组件布置在流道腔中。当给线圈通电时，与线圈相邻的流通通道Ⅰ转变为主动流动间隙。所述(N‑1)个线圈正极从底座独立引出。所述(N‑1)个线圈共用负极。所述(N‑1)个线圈的负极并联连接后从底座引出。恒压源对线圈进行激励。该阻尼器大幅扩展磁流变阻尼器的可控阻尼力范围。通过调控施加磁场控制主动流动间隙数量的方式来控制阻尼力的大小，实现不同的阻尼力控制范围的组合。

Description

一种多级激励双筒磁流变阻尼器及其控制方法
技术领域
本发明涉及振动与缓冲主动控制领域，特别涉及一种多级激励双筒磁流变阻尼器及其控制方法。
背景技术
磁流变液(Magneto Rheological Fluid，简称MRF)是一种在外加磁场作用下的表观粘度可控的悬浮液体，在外磁场作用下能瞬间从自由流动的液体转变为半固体，且屈服强度会随着外磁场的强度大小变化随机调控磁流变效应。磁流变液作为智能材料的重要组成部分，其研究和应用已得到世界各国科研人员的极大关注。
磁流变阻尼器是磁流变液应用的器件载体，通过外加(电流) 磁场对阻尼力进行调控，在汽车制造、测量技术、机械加工等领域具有广泛的应用价值。相比于汽车上的传统阻尼器，磁流变阻尼器有着更快的反应速度和更大的阻尼变化范围，它能以每秒1000次的频率调整自身的悬挂特性。早在2009年，一辆搭载了磁流变阻尼器悬挂控制系统的凯迪拉克CTS-V汽车，在纽伯格林北环赛道跑出7 分59秒32的最快圈速，一举打破了长期以来四门轿车无法突破8 分钟圈速的魔咒。如今，随着我国高铁技术的不断发展，磁流变阻尼技术可控范围广、反应迅速的优势，使得其在高铁减振领域也具有广阔的应用前景。
磁流变阻尼器基于流动模式、剪切模式和挤压模式进行设计，通过布置线圈激励的磁路结构，在磁流变液的流道通道上设置主动控制区，从而调控阻尼力的大小。一般而言，磁流变阻尼器采用单筒式，激励线圈设置在活塞上，并且随活塞移动，通过活塞杆的中心孔将引线引出。为了确保阻尼器件的运动行程，活塞长度有限，在活塞上的激励线圈有单段式、两段式甚至三段式，当有多段激励线圈时，为了提高动态响应，大部分采用并联连接。在每个流动通道的主动控制区，磁流变阻尼器的阻尼力一般认为由不可控粘性阻尼力和可控库伦阻尼力两部分构成。现有磁流变阻尼器存在只能在特定流动间隙下通过改变电流大小来控制阻尼力的局限性。
因此，亟需开发一种多级激励双筒磁流变阻尼器及其控制方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种多级激励双筒磁流变阻尼器及其控制方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种多级激励双筒磁流变阻尼器，包括底座、内筒、外筒、导向密封组件、活塞组件和磁路组件。
所述外筒的两端敞口分别采用导向密封组件和底座封堵。所述内筒同轴设置于外筒内。所述内筒的两端敞口分别顶抵在导向密封组件和底座上。所述内筒的外壁与外筒的内壁之间形成有流道腔。所述内筒靠近导向密封组件的一端的侧壁上开设有若干个流通窗口Ⅰ，靠近底座的一端的侧壁上开设有若干个流通窗口Ⅱ。
所述活塞组件包括活塞、浮动活塞和活塞杆。所述活塞为一端敞开，另一端封闭的中空结构。所述活塞布置在内筒的内腔中。所述活塞的外壁紧贴内筒的内壁。所述活塞的敞口端朝向底座。所述活塞杆的一端与活塞固定连接，另一端穿过导向密封组件后伸出外筒。所述浮动活塞为一端敞开，另一端封闭的中空结构。所述浮动活塞布置在活塞的内腔中。所述浮动活塞的敞口端朝向底座。所述浮动活塞可沿活塞的轴向滑动。
所述磁路组件布置在流道腔中。所述磁路组件包括N个磁轭和 (N-1)个线圈。所述磁轭套设在内筒的外壁上。所述线圈绕设在内筒的外壁上。所述N个磁轭和(N-1)个线圈沿内筒的轴向依次交替布置。各个磁轭的外表面与外筒的内壁形成N个流通通道Ⅰ。各个线圈的外表面与外筒的内壁形成(N-1)个流通通道Ⅱ。所述流通通道Ⅰ和流通通道Ⅱ共同组成磁流变液流经的液流通道。当给线圈通电时，与线圈相邻的流通通道Ⅰ转变为主动流动间隙。磁流变液流过主动流动间隙时，克服磁流变液链状排列的分子间的力，从而阻尼力增加。相邻两个线圈的磁场方向相反，确保磁场叠加后得以增强，以实现更大的可控阻尼力。所述(N-1)个线圈正极从底座独立引出。所述 (N-1)个线圈共用负极。所述(N-1)个线圈的负极并联连接后从底座引出。恒压源对线圈进行激励。
进一步，所述导向密封组件包括导向座、油封和压板。所述导向座一端与内筒抵接，另一端与油封抵接。
进一步，所述底座上具有N个螺纹孔。所述螺纹孔中布置有注塑接线柱。各个线圈的励磁线路通过引线和注塑接线柱引出底座。
进一步，相邻两个线圈的绕向相反。
进一步，相邻两个线圈的通电电流的反向相反。
进一步，所述活塞的封闭端和浮动活塞的封闭端合围出补偿腔。所述补偿腔中充入氮气或者采用弹簧进行支撑。所述补偿腔用于补偿活塞杆进出导致的内筒内腔容积的变化。
进一步，所述内筒靠近导向密封组件的一端设置有压套。所述压套用于磁路组件的轴向定位与紧固。所述压套在流通窗口Ⅰ的对应位置处设置有孔洞。
本发明还公开一种上述多级激励双筒磁流变阻尼器的控制方法，根据磁流变阻尼器的行程确定所需阻尼力大小。单片机控制各个线圈电流的通断，调控主动流动间隙的数量。活塞杆带动活塞在内筒的内腔中运动。磁流变液流经主动流动间隙，产生可控阻尼力。
本发明还公开一种用于控制上述多级激励双筒磁流变阻尼器的 PCB电路板，包括印刷在基板上的印刷电路，以及臂状金属电刷。
所述印刷电路包括的同心的圆形导线和(N-1)条圆弧导线。所述圆形导线布置在最外圈。所述圆形导线接入恒压源负极V-。所述(N-1) 条圆弧导线分别与(N-1)个线圈相连。
所述臂状金属电刷与印刷电路耦合，且可绕印刷电路对应的圆心旋转。所述臂状金属电刷与恒压源正极V+连接。所述臂状金属电刷上设置有与(N-1)条圆弧导线相对应的(N-1)个触点。所述臂状金属电刷旋转后触点与相应圆弧导线接通，恒压源、臂状金属电刷、圆弧导线和线圈形成回路，与相应线圈的相邻的磁轭产生磁场，控制阻尼力的形成。
进一步，所述(N-1)条圆弧导线对应的圆心角度数依次增大。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.可以大幅简化现有基于复杂反馈网络的阻尼力控制策略，建立一种与阻尼器运动幅度直接相关的，以抑制振动幅度为目标的自适应控制模式；
B.大幅扩展磁流变阻尼器的可控阻尼力范围；
C.通过调控施加磁场控制主动流动间隙数量的方式来控制阻尼力的大小，实现不同的阻尼力控制范围的组合。
附图说明
图1为多级激励双筒磁流变阻尼器结构示意图；
图2为PCB电路板示意图；
图3为摩擦轮传动机构结构示意图。
图中：注塑接线柱1、底座2、引线3、磁轭4、线圈5、压套6、内筒7、流通窗口Ⅰ701、流通窗口Ⅱ702、活塞8、浮动活塞9、外筒10、活塞杆11、导向座12、油封装置13、压板14。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
针对目前磁流变阻尼器只能在特定流动间隙下通过改变电流大小来控制阻尼力的局限性，本实施例提供一种多级激励双筒磁流变阻尼器，包括底座2、内筒7、外筒10、导向密封组件、活塞组件和磁路组件。
所述外筒10的两端敞口分别采用导向密封组件和底座2封堵。所述内筒7同轴设置于外筒10内。所述内筒7的两端敞口分别顶抵在导向密封组件和底座2上。所述内筒7的外壁与外筒10的内壁之间形成有流道腔。所述内筒7靠近导向密封组件的一端的侧壁上开设有多个流通窗口Ⅰ701，靠近底座2的一端的侧壁上开设有多个流通窗口Ⅱ702。
所述活塞组件包括活塞8、浮动活塞9和活塞杆11。所述活塞8 为一端敞开，另一端封闭的中空结构。所述活塞8布置在内筒7的内腔中。所述活塞8的外壁紧贴内筒7的内壁。所述活塞8的敞口端朝向底座2。所述活塞杆11的一端与活塞8固定连接，另一端穿过导向密封组件后伸出外筒10。所述浮动活塞9为一端敞开，另一端封闭的中空结构。所述浮动活塞9布置在活塞8的内腔中。所述浮动活塞9的敞口端朝向底座2。所述浮动活塞9可沿活塞8的轴向滑动。
所述磁路组件布置在流道腔中。所述磁路组件包括N个磁轭4 和(N-1)个线圈5。N为大于等于3的正整数。所述磁轭4套设在内筒7的外壁上。所述线圈5绕设在内筒7的外壁上。所述N个磁轭4 和(N-1)个线圈5沿内筒7的轴向依次交替布置。各个磁轭4的外表面与外筒10的内壁形成N个流通通道Ⅰ。各个线圈5的外表面与外筒10的内壁形成(N-1)个流通通道Ⅱ。所述流通通道Ⅰ和流通通道Ⅱ共同组成磁流变液流经的液流通道。当给线圈5通电时，与线圈5 相邻的磁轭4产生磁场控制阻尼力的形成，流通通道Ⅰ转变为主动流动间隙。磁流变液流过主动流动间隙时，克服磁流变液链状排列产生可控阻尼力。相邻两个线圈5的磁场方向相反，确保磁场叠加后得以增强，以实现更大的可控阻尼力。所述(N-1)个线圈5正极从底座2独立引出。所述(N-1)个线圈5共用负极。所述(N-1)个线圈5 的负极并联连接后从底座2引出。恒压源对线圈5进行激励。
活塞杆11在外力作用下，带动活塞8在内筒中往复运动。内浮动活塞9随着活塞杆进出而起到容积补偿作用。当活塞8向上运动时，磁流变液通过流通窗口Ⅰ701进入内外筒间的间隙，被迫流过液流通道到达底座2上方，并通过流通窗口Ⅱ702回到内筒的活塞底部。当活塞8向下运动时流动方向相反。无论活塞8运动方向如何，磁流变液在内外筒间必然经过磁轭4构成的磁场控制的主动流动间隙，从而产生可控阻尼力。
本实施例通过调控施加磁场控制主动流动间隙数量的方式来控制阻尼力的大小，而每一个通电的线圈中通过的电流大小则保持不变。
实施例2：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述导向密封组件包括导向座12、油封13和压板14。所述导向座12一端与内筒7抵接，另一端与油封13抵接。导向座12外周设置O圈用于密封外圆面，内圆面依靠油封13的唇口进行密封。
实施例3：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述底座2上具有N个螺纹孔。所述螺纹孔中布置有注塑接线柱1。各个线圈5的励磁线路通过引线3和注塑接线柱1引出底座2。
实施例4：
本实施例主要结构同实施例1，其中，相邻两个线圈5的绕向相反。
实施例5：
本实施例主要结构同实施例1，其中，相邻两个线圈5的通电电流的反向相反。
实施例6：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述活塞8的封闭端和浮动活塞9的封闭端合围出补偿腔。所述补偿腔中充入氮气或者采用弹簧进行支撑。所述补偿腔用于补偿活塞杆11进出导致的内筒7内腔容积的变化。
实施例7：
本实施例主要结构同实施例1，其中，所述内筒7靠近导向密封组件的一端设置有压套6。所述压套6用于磁路组件的轴向定位与紧固。所述压套6在流通窗口Ⅰ701的对应位置处设置有孔洞。
实施例8：
参见图1，本实施例主要结构同实施例1，其中，共有5个线圈 5和6个磁轭4，从而在磁轭处形成6个流通通道Ⅰ。5个线圈5共有5个正极并共用负极。底座2上设置6个螺纹孔，采用6个注塑接线柱1将引线3引出。5个线圈5从底座2到导向密封组件方向依次标记为第一线圈、第二线圈、第三线圈、第四线圈和第五线圈。6 个磁轭4从底座2到导向密封组件方向依次标记为第一磁轭、第二磁轭、第三磁轭、第四磁轭、第五磁轭和第六磁轭。当磁流阻尼器需要的可控阻尼力较小时，仅第一线圈接通恒压源，则在第一磁轭和第二磁轭处形成磁场而构成主动流动间隙。当磁流变阻尼器因为振幅增大需要更大的阻尼力加以抑制时，第二线圈将接通恒压源，此时第一磁轭、第二磁轭和第三磁轭处均形成主动流动间隙，由于两个相邻线圈绕向相反，第二磁轭处磁场得到加强。当阻尼力需要继续增加时，以此类推。而当可控阻尼力需要减小时，则依次退出对线圈的电流激励。
实施例9：
本实施例提供一种根据实施例1所述多级激励双筒磁流变阻尼器的控制方法，根据磁流变阻尼器的行程确定所需阻尼力大小。调控主动流动间隙的数量。活塞杆11带动活塞8在内筒7的内腔中运动。磁流变液流经主动流动间隙，产生可控阻尼力。
实施例10：
为了实现对多级激励双筒磁流变阻尼器的控制，本实施例基于阻尼器的行程控制逻辑，提供一种用于控制实施例1所述多级激励双筒磁流变阻尼器的PCB电路板，包括印刷在基板上的印刷电路，以及臂状金属电刷。
所述印刷电路包括的同心的圆形导线和(N-1)条圆弧导线。所述圆形导线布置在最外圈。所述(N-1)条圆弧导线对应的圆心角度数依次增大。所述圆形导线接入恒压源负极V-。所述(N-1)条圆弧导线分别与(N-1)个线圈5相连。
所述臂状金属电刷与印刷电路耦合，且通过摩擦轮等传动机构与活塞杆的往复运动联动，并转化为绕印刷电路对应的圆心的旋转运动。所述臂状金属电刷与恒压源正极V+连接。所述臂状金属电刷上设置有与(N-1)条圆弧导线相对应的(N-1)个触点。所述臂状金属电刷旋转后触点与相应圆弧导线接通，恒压源、臂状金属电刷、圆弧导线和线圈5形成回路，与相应线圈5的相邻的磁轭4产生磁场，控制阻尼力的形成。当多个触点导通时，多个线圈之间形成并联关系。
所述摩擦轮传动机构如图3所示。将PCB电路板固定于一滑轮上构成PCB盘，采用一合适的预压力将滑轮圆周槽压在活塞杆上，当活塞杆上下运动时，将带动PCB盘相应旋转，电刷则保持不动，达到电刷相对旋转的目的。通过调整滑轮直径，可以适配活塞杆行程与PCB盘旋转角之间的关系。
在实际生产中，PCB板上圆弧导线的圆心角可以根据实际需要调整。
实施例11：
提供一种用于控制实施例8所述多级激励双筒磁流变阻尼器的 PCB电路板，本实施例主要结构同实施例10，其中，所述印刷电路包括的同心的圆形导线和5条圆弧导线。参见图2，第一线圈和第二线圈将同时导通以生成磁场控制阻尼力。
实施例12：
本实施例主要结构同实施例10，其中，均匀设计每级线圈和磁轭，当每级线圈依次导通时，可控阻尼力可预期地以等差数列方式增长或减小。通过设计，可以以不同方式匹配各级的磁场和磁轭参数设计，从而实现不同的阻尼力控制范围的组合。例如，给线圈施加恒定电流时，间隙为l1的零场阻尼力为f1，可控阻尼力为g1；间隙为l2的零场阻尼力变为f2，可控阻尼力变为g2；当同时激励这两级线圈时，将预期产生f1+f2+g1+g2的阻尼力，其中的可控阻尼力为g1+g2。

Claims (10)

1.一种多级激励双筒磁流变阻尼器，其特征在于：包括底座(2)、内筒(7)、外筒(10)、导向密封组件、活塞组件和磁路组件；
所述外筒(10)的两端敞口分别采用导向密封组件和底座(2)封堵；所述内筒(7)同轴设置于外筒(10)内；所述内筒(7)的两端敞口分别顶抵在导向密封组件和底座(2)上；所述内筒(7)的外壁与外筒(10)的内壁之间形成有流道腔；所述内筒(7)靠近导向密封组件的一端的侧壁上开设有若干个流通窗口Ⅰ(701)，靠近底座(2)的一端的侧壁上开设有若干个流通窗口Ⅱ(702)；
所述活塞组件包括活塞(8)、浮动活塞(9)和活塞杆(11)；所述活塞(8)为一端敞开，另一端封闭的中空结构；所述活塞(8)布置在内筒(7)的内腔中；所述活塞(8)的外壁紧贴内筒(7)的内壁；所述活塞(8)的敞口端朝向底座(2)；所述活塞杆(11)的一端与活塞(8)固定连接，另一端穿过导向密封组件后伸出外筒(10)；所述浮动活塞(9)为一端敞开，另一端封闭的中空结构；所述浮动活塞(9)布置在活塞(8)的内腔中；所述浮动活塞(9)的敞口端朝向底座(2)；所述浮动活塞(9)可沿活塞(8)的轴向滑动；
所述磁路组件布置在流道腔中；所述磁路组件包括N个磁轭(4)和(N-1)个线圈(5)；所述磁轭(4)套设在内筒(7)的外壁上；所述线圈(5)绕设在内筒(7)的外壁上；所述N个磁轭(4)和(N-1)个线圈(5)沿内筒(7)的轴向依次交替布置；各个磁轭(4)的外表面与外筒(10)的内壁形成N个流通通道Ⅰ；各个线圈(5)的外表面与外筒(10)的内壁形成(N-1)个流通通道Ⅱ；所述流通通道Ⅰ和流通通道Ⅱ共同组成磁流变液流经的液流通道；当给线圈(5)通电时，与线圈(5)相邻的流通通道Ⅰ转变为主动流动间隙；磁流变液流过主动流动间隙时，克服磁流变液链状排列的分子间的力，从而阻尼力增加；相邻两个线圈(5)的磁场方向相反；所述(N-1)个线圈(5)正极从底座(2)独立引出；所述(N-1)个线圈(5)共用负极；所述(N-1)个线圈(5)的负极并联连接后从底座(2)引出；恒压源对线圈(5)进行激励。
2.根据权利要求1所述的一种多级激励双筒磁流变阻尼器，其特征在于：所述导向密封组件包括导向座(12)、油封(13)和压板(14)；所述导向座(12)一端与内筒(7)抵接，另一端与油封(13)抵接。
3.根据权利要求1所述的一种多级激励双筒磁流变阻尼器，其特征在于：所述底座(2)上具有N个螺纹孔；所述螺纹孔中布置有注塑接线柱(1)；各个线圈(5)的励磁线路通过引线(3)和注塑接线柱(1)引出底座(2)。
4.根据权利要求1所述的一种多级激励双筒磁流变阻尼器，其特征在于：相邻两个线圈(5)的绕向相反。
5.根据权利要求1所述的一种多级激励双筒磁流变阻尼器，其特征在于：相邻两个线圈(5)的通电电流的反向相反。
6.根据权利要求1所述的一种多级激励双筒磁流变阻尼器，其特征在于：所述活塞(8)的封闭端和浮动活塞(9)的封闭端合围出补偿腔；所述补偿腔中充入氮气或者采用弹簧进行支撑。
7.根据权利要求1所述的一种多级激励双筒磁流变阻尼器，其特征在于：所述内筒(7)靠近导向密封组件的一端设置有压套(6)；所述压套(6)用于磁路组件的轴向定位与紧固；所述压套(6)在流通窗口Ⅰ(701)的对应位置处设置有孔洞。
8.一种根据权利要求1所述多级激励双筒磁流变阻尼器的控制方法，其特征在于：根据磁流变阻尼器的行程确定所需阻尼力大小；单片机控制各个线圈(5)电流的通断，调控主动流动间隙的数量；活塞杆(11)带动活塞(8)在内筒(7)的内腔中运动；磁流变液流经主动流动间隙，产生可控阻尼力。
9.一种用于控制权利要求1所述多级激励双筒磁流变阻尼器的PCB电路板，其特征在于：包括印刷在基板上的印刷电路，以及臂状金属电刷；
所述印刷电路包括的同心的圆形导线和(N-1)条圆弧导线；所述圆形导线布置在最外圈；所述圆形导线接入恒压源负极V-；所述(N-1)条圆弧导线分别与(N-1)个线圈(5)相连；
所述臂状金属电刷与印刷电路耦合，且可绕印刷电路对应的圆心旋转；所述臂状金属电刷与恒压源正极V+连接；所述臂状金属电刷上设置有与(N-1)条圆弧导线相对应的(N-1)个触点；所述臂状金属电刷旋转后触点与相应圆弧导线接通，恒压源、臂状金属电刷、圆弧导线和线圈(5)形成回路，与相应线圈(5)的相邻的磁轭(4)产生磁场，控制阻尼力的形成；
工作时，将磁流变阻尼器的活塞杆(11)运动通过传动装置转换为臂状金属电刷的转动，通过接通各级线圈后产生主动流动间隙的数量确定所需阻尼力大小。
10.根据权利要求9所述的PCB电路板，其特征在于：所述(N-1)条圆弧导线对应的圆心角度数依次增大。
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